1、- 1 -山东理工大学 热处理设备及设计课程设计（说明书）题目：热处理箱式电阻炉的设计（生产率 80kg/h，温度950）院（系）： 机械工程学院专业班级： 材料 0903 班学号： 0911012014学生姓名： 王德才指导教师： 尹文红- 2 -设计任务：按工作要求可设计一台热处理电阻炉，其技术要求为：(1)用途：中碳钢、低合金钢件的退火、淬火及正火；处理对象为中小型零件(2)生产率：80kg/h ；(3)工作温度：最高使用温度950 一、炉型的选择根据设计任务给出的技术要求和生产特点，本设计宜选用箱式热处理电阻炉。二、确定炉体结构和尺寸1炉底面积的确定因为无法确定产品类型，故无法用一次装
2、料量来计算炉底面积，只能用炉底强度来计算。已知生产率为 80kg/h，则选择箱式炉用于淬火和正火时的单位面积炉底强度 h 为110kg/(m2h)，故可求得炉底有效面积F1 = P/h = 80/110= 0.73m2有效面积与炉底总面积的比例系数 K=F/F1=0.750.85，取系数为 0.84，则炉底实际面积： F = F1/0.84 =0.73/0.84 =0.87m22炉底长度和宽度的确定由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装出料方便，取 L/B=3:2，因此，可求得 B =930mm L =1310mm考虑到便于砌砖，根据标准砖尺寸，取 L =1380mm，B =920mm。3炉膛高度
3、的确定炉膛高度目前没有严格计算方法，根据统计的资料炉膛高度 H 与炉底宽度 B 之比H/B 通常在 0.50.9 之间，本设计根据炉子工作条件并考虑利于辐射与对流传热等因素，这里取 H/B = 0.85，再根据标准砖尺寸，最终选定炉膛高度 H = 780mm。因此，确定炉膛尺寸如下：长 L = 2308 = 1380mm宽 B = 1158 = 920mm- 3 -高 H = 6512 =780mm为避免工件与炉内壁或电热元件搁砖相碰撞，应使工件与炉膛内壁之间有一定的空间，确定工作室有效尺寸为L 效 = 1320mmB 效 = 860mmH 效 = 720mm4炉衬材料及厚度的确定箱式电阻炉侧
4、墙、前墙及后墙以及炉顶的工作环境类似，可采用相同炉衬结构，即二层结构：115mm 耐火的轻质粘土砖和 150mm 保温的膨胀蛭石。轻质粘土砖牌号为 QZ-13，密度为 1.3 g/cm3 的，膨胀蛭石的密度为 0.2g/cm3。炉底采用厚为 115mm 的搁砖和厚为 65mm 的轻质粘土砖以及保温填料砌成。三、砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如附图 1 所示：则：L 外 = L+2(115+150) = 1910mmB 外 = B+2(115+150) = 1450mmH 外 = H+(115+150) +65+230+115+f = 1579mm式中： f - 拱顶矢高，此炉子采用 60标准拱
5、顶，拱弧半径 R = B，则 f = R(1-cos30) = 124mm。1炉顶平均面积炉顶内面积：F 顶内 = (2R/6)L = 1.330m2炉顶外面积： F 顶外 = B 外 L 外 =2.770m2炉顶平均面积：F 顶均 = = 1.919m2F顶 内 顶 外2炉墙平均面积炉墙面积包括侧墙面积及前后墙面积，为简化计算将炉门包括在前墙内，则：炉墙内面积：F 墙内 = 2LH+2BH = 21.3800.780+20.9200.780=3.588 m2炉墙外面积：F 墙外 = 2H 外 (L 外 +B 外 )= 21.579(1.910+1.450) = 10.611m2炉墙平均面积：
6、F 墙均 = = 6.170 m2F墙 内 墙 外3炉底平均面积- 4 -炉底内面积：F 底内 =BL=0.9201.380= 1.2696 m2炉底外面积：F 底外 =B 外 L 外 =1.4501.910 = 2.7695m2炉底平均面积：F 底均 = = 1.875m2F底 内 底 外四、计算炉子功率根据热平衡计算炉子功率1加热工件所需的热量 Q 件工件在 950及 20时比热容分别为 C 件 2=0.163KJ/(kg)，C 件 1=0.12KJ/(kg)，则：Q 件 =g(C 件 2t1 - C 件 lt0) =110(0.682600-0.49420) = 12196 kJ/h2加
7、热辅助夹具所需的热量 Q 辅根据公式Q 辅 =5Q 件 =0.0512196=609.83通过炉衬的散热损失 Q 散对于炉墙散热，首先假定炉壳内外温度及两层材料界面上的温度，t 1=950，t 2 = 60, t 界 = 800,则:耐火层 S1 的平均温度： t1 均 =(950+800)/2=875保温层 S2 的平均温度： t2 均 =(800+60)/2=430轻质粘土砖的热导率1=0.25+0.2210-3875=0.443 千卡/米时膨胀蛭石的热导率2 =0.062+0.22430= 0.157 千卡/米时当炉壳温度为 60，室温为 20时，由近似计算得 =10.4 千卡/(米时)
8、a) 求热流q 墙 =（ 950-20）/（S1/ 1+ S2/ 2 +1/ ）=（ 950-20）/（0.115/0.433+0.15/0.157+0.096）=706 千卡 /(米时 )b) 计算交界面上的温度 t 界t 界 = =950-7060.115/0.433=762.3，1sq墙验算中间温度：（800-762.3）/800=4.7%5%，说明假设温度合理，不需要重新设定。- 5 -c) 计算炉墙散热损失炉墙散热损失：Q 墙散 = q 墙 F 墙均 =7066.170=4356.02 千卡炉顶散热损失：Q 顶散 = q 墙 F 顶均 =7061.919=1354.81 千卡炉底散热
9、损失：Q 底散 = q 墙 F 底均 =7061.875=1323.75 千卡则：整个炉体散热损失 Q 散 = Q 墙散 +Q 顶散 + Q 底散 =7035 千卡4计算开启炉门的辐射热损失根据公式：Q 辐 =4.96F - 410Tg4a其中 Tg=950+273=1223 K，T a=20+273=293K，炉门开启率 t=0.1；炉子正常工作时炉门全开，根据实际情况和工作要求可设炉门宽 b=320mm，高h=0.85b=272mm，则炉门开启面积：F=bh=0.3200.272=0.08704 m 2由于炉门开启后，辐射口为矩形，炉门高度与炉墙厚度之比为 0.272/0.265=1.03
10、，可查得：=0.72则： Q 辐 =4.96F - 410Tg4a=695 千卡5计算开启炉门溢气热损失因为溢气热损失 Q 溢 =V C(ta-tb) 其中 V 为进入炉内的冷空气量，根据公式可近似 V=2200 bhh =99.8679m3/hC 为空气在温度 ta tb 之间的平均比热，即 C=0.32ta=20+2/3（950-20）=640，t b=20。=1.29 公斤/米则：Q 溢 = VC (t a-tb) =99.86790.8081.29 (640-20)0.1=6454 千卡/时6其它热量损失其他热量损失约为散热损失的 50，故Q 它 =0.5Q 散 =0.57035=35
11、17.5 千卡/时7计算热量总输出因为 Q 控 =0，则 Q 总 =Q 件 +Q 辅 +Q 散 +Q 辐 +Q 溢 +Q 它=12196+609.8+7035+695+6454+3517.5- 6 -=30507.3 千卡 /时8炉子额定功率的计算P 额 =KQ/860其中 K 为功率储备系数，本炉设计中 K 取 1.5，则P 额 =(1.530507.3)/860=53.2kw与标准炉子相比较，取炉子功率为 60kW。五、炉子热效率计算1正常工作时的效率= =12196/30507.3100=40Q件总2在保温阶段，关闭炉门时的效率=Q 件 / Q 总 -(Q 辐 +Q 溢 ) =12196
12、/30507.3-(695+6454)=52.2%六、炉子空载功率计算P 空 =(14850.36+7425.18)/860=12.3kW七、空炉升温时间计算本设计炉子的耐火层，保温层结构相似，由于个人知识所限，采用粗略计算。将其近似看作箱体。1蓄热量的计算V 膛 =7809201380+(920 2-9202 /2)/4=0.99 m3V 总 =157919101450=4.373 m3V 膛+耐 =89511501610+(1035 2-10352 /2)/4=1.658 m3V1= V 膛+ 耐 - V 膛 =1.658-0.99=0.668 m3V2= V 总 - V 膛+耐 =4.3
13、73-1.658=2.715 m3查阅资料可知耐火材料的重度 1=1.3103kg/ m3，保温材料的重度 2=0.2103kg/ m3。设 t 耐 ，t 保 是耐火层和保温层在炉子工作时的平均温度。 C1，C 2 为耐火材料和保温材料在 t 耐 ，t 保 时的比热。C 01，C 02 为耐火材料和保温材料在室温下的比热。所以得- 7 -Q 蓄 = V1 1 (C1t 耐 C01 t0) + V2 2 (C2t 保 C02t0)322500 千卡进而可得空炉升温时间 升 =322500/(75860）=5h八、功率的分配与接线根据设定的要求，电热元件可采用 YY 型接法。即 60kW 的功率为
14、三区，一根加热，每根原件功率为 20KW，均匀分布在炉膛两侧及炉底，每根电热体的电压为 220V。炉膛电热元件内壁表面负荷为：F 电 =2F 电侧 +F 电底 =21.3200.720+1.3200.870=3.0m2W=P 安 /F 电 =60/3.0=20kWm 2结果表明表面负荷率符合 20kw/m2 的要求。九、电热元件材料选择及计算因热处理炉的最高使用温度 950，应选用线状 0Cr25A15 钢作电热元件。1计算 950时电热元件的电阻率 当炉温为 950时，电热元件温度取 1100，查得 0Cr25A15 钢在 20时电阻率20 =1.45mm2/m，电阻温度系数 =310-5
15、-1，在 1100下的电热元件电阻率: t =1.5mm/m2确定电热元件表面功率根据本炉子电热元件工作条件取 W 允 =1.6W/cm2。3每组电热元件功率由于采用 YY 接法，即三相星形接法，每组元件功率:P 组 =60/n=45/3=20kW4每组电热元件端电压由于采用 YY 接法，车间动力电网端电压为 380V，故每组电热元件端电压即为每相电压 U 组 = =220 V3805电热元件直径线状电热元件直径：d=8mm 6每组电热元件长度和重量每组电热元件长度为：L 组 =0.785l0-3(U 组 2d2/P 组 t)=64.8 米- 8 -每组电热元件重量：G 组 =(/4)d2L
16、组 m7电热元件的总长度和总重量电热元件总长度由式(5-27) 2得 L 总 =3L 组 =364.8=194.4m电热元件总重量由式(5-28) 2得 G 总 =3G 组 =69.4kg8校核电热元件表面负荷W 实 = P 组 /dL 组 =1.54W/cm2W 实 W 允 ，结果满足设计要求。9电热元件在炉膛内的布置依炉膛尺寸确定在炉子侧墙和炉底各安置一组电热体，电热元件每相分为 8 段，因此L 折 =D/8=64.8/8=8.1mL=L-60=1380-50=1330mm螺旋节径 D=(6-8)d，本设计取 D=7d=78=56mm 取 D=56N= L 折 /D=8.1/(3.1456）=46H= L/N=1330/46=28.9根据要求 h/d=24，符合设计要求。因此选用 YY 方式接线，采用 d=8mm 所用电热原件。电热元件节距 h 在安装时适当调整，炉口部分增大功率。十、电阻炉技术指标（标牌）额定功率：60kw 额定电压：380 V 最高使用温度： 950 生产率：80kg/h 相数：3 接线方法：YY 工作室有效尺寸：1320mm860mm720mm 外形尺寸：1910mm1450mm1579mm
